Wie der 3D-Druck die Industrie 4.0 vorantreibt

Wie der 3D-Druck die Industrie 4.0 vorantreibt

Anmerkung des Herausgebers:Dieser Artikel ist Teil des Sonderberichts „Enabling the Factory of 2030“ von AspenCore.

Stellen Sie sich vor, Sie drucken ein komplettes, funktionsfähiges Smartphone auf einen Desktop – obwohl die additive Fertigung (AM) noch eine ferne Vision ist, verändert sie bereits die Art und Weise, wie elektronische Komponenten, von Steckverbindern bis hin zu Leiterplatten, hergestellt werden.

Laut einem aktuellen Hubs-Bericht haben rasante Fortschritte bei Druckern, Materialien und Software dazu geführt, dass 3DP vom Prototyping zur zuverlässigen Endproduktion übergegangen ist. „Wir befinden uns an einem Wendepunkt, an dem Endverbrauchsteile mittlerweile üblich sind“, sagt Sam Manning, Sprecher der 101 Millionen US-Dollar teuren Marke Markforged.

Industrielle Auswirkungen

3DP macht Partner im Ausland überflüssig, reduziert IP-Risiken und ermöglicht die Produktion vor Ort in genau den benötigten Mengen. Dieser „Just-in-Time-on-Steroide“-Ansatz senkt Mindestbestellmengen, Versandvorlaufzeiten und Lagerkosten.

Flex, der 29,72 Milliarden US-Dollar schwere EMS-Anbieter, hat 3DP als eine Säule seiner Industrie 4.0-Strategie identifiziert. Schnelle digitale Prototypen schließen die Lücke zwischen Design- und Fertigungsteams und schaffen ein digitales Live-Repository, das bei jeder Designänderung sofort aktualisiert wird.

Die Prozessautomatisierung – Slicer-Optimierung, intelligente Teileausrichtung, Chargenlayout und Nachbearbeitung – steigert die Druckgeschwindigkeit, Qualität und Konsistenz. Durch das Schneiden wird ein 3D-Modell in maschinenlesbare Anweisungen umgewandelt, denen der Drucker folgt.

„Fabriken müssen Teile nicht mehr jahrelang lagern“, erklärt Manning. „Wenn Sie ein Teil benötigen, können Sie es bei Bedarf ausdrucken.“

Was ist neu in 3DP?

Das 3DP-Ökosystem umfasst jetzt großformatige Metall-AM, wie das 1,5-Meter-Z-Achsen-Laser-Pulverbett-Fusionsystem von SLM Solutions für die US-Luftwaffe und das endkonturnahe Metalldraht-Lichtbogensystem von Caracol, das Roboterschweißarme für große Strukturen und Reparaturen verwendet.

Das bisher größte gedruckte Werkzeug ist ein Trimmwerkzeug, das Boeing verwendet, um die Flügelhaut der 777X während der Bearbeitung zu halten. Zu den 3DP-Materialien gehören technische Thermoplaste, Harze, Verbundwerkstoffe, Polymerpulver und Metallpulver, mit jüngsten Durchbrüchen beim nichtplanaren Drucken, die Stützen für Überhänge eliminieren.

Manning bemerkt:„Wir stellen nicht nur Drucker her, wir entwickeln auch Materialien und Software. Ein integriertes, KI-gesteuertes Ökosystem beschleunigt die Akzeptanz.“

Anwendungsfälle

3DP zeichnet sich durch Prototyping, Werkzeugbau und Massenanpassung aus. Schnelle Prototypen ermöglichen es Designern, Form, Passform und Funktion vor der Serienproduktion zu validieren. Werkzeuge – Vorrichtungen, Vorrichtungen und Montagehilfen – können bei Bedarf gedruckt werden, was Maschinenstillstandszeiten reduziert und die Agilität steigert. Toyota beispielsweise nennt kürzere Vorlaufzeiten und Designfreiheit als Hauptvorteile von AM-Werkzeugen.

Die Herstellung kleiner Stückzahlen wird wirtschaftlich rentabel. Unternehmen können ohne große Lagerbestände limitierte Auflagen oder Ersatzteile herstellen. Die 3D-Drucker von HP werden von Toyota verwendet, um Ersatzteile nach Bedarf zu drucken.

Mass Customization ist möglich, wenn CAD-Dateien auf einzelne Kunden zugeschnitten werden. Formify verwendet 3DP, um ergonomische Mäuse basierend auf Handscans herzustellen.

Auch die Serienproduktion zeichnet sich ab:Protolabs betreibt eine Flotte von 150 3D-Druckern und liefert jährlich bis zu 1 Million Teile, eine Leistung, die durch vollautomatische Arbeitsabläufe ohne Unterbrechung ermöglicht wird.

Nachhaltigkeit

Hersteller stehen unter dem Druck, Kosten zu senken und gleichzeitig die Umweltbelastung zu verringern. 3DP erzeugt weniger Materialabfall als subtraktive Methoden wie die CNC-Bearbeitung und kann ungenutztes Pulver recyceln. Außerdem verbraucht es weniger Strom, da Roboter wie das Lights-Out-System von Athena Manufacturing kontinuierlich Teile vorbereiten und drucken.

KI-gestützte Designtools minimieren fehlerhafte Drucke und optimieren CAD-Modelle, wodurch der Ausschuss weiter reduziert wird. Durch die lokale Produktion entfällt eine komplexe Logistik, was den CO2-Fußabdruck verringert. Laut Hubs kann die Gewichtsreduzierung von Komponenten um 20 % die Treibstoffeffizienz in Flugzeugen um 10 % steigern.

Langlebige Anlagen wie Flugzeuge und Autos profitieren von Ersatzteilen auf Abruf und verlängern so ihre Betriebslebensdauer.

Marktausblick

Im Jahr 2022 erreichte der 3DP-Markt – einschließlich Systeme, Software, Materialien und Dienstleistungen – 17 Milliarden US-Dollar und wuchs jährlich um 13 %. Hubs prognostiziert eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 17 % und erreicht im Jahr 2023 19,9 Milliarden US-Dollar.

„3DP ist ein leistungsstarkes Werkzeug für Ingenieure“, sagt Manning. „Es wird die traditionelle Fertigung nicht ersetzen, aber es wird zu einem Standardbestandteil des Design-Toolkits.“

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